基于港區(qū)泊穩(wěn)的廈門港將軍澳作業(yè)區(qū)碼頭平面布置方案研究

劉舒穎 福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司

1.引言

赤湖工業(yè)園地處漳州市漳浦縣中部臨海區(qū)，東毗前湖灣、南臨將軍灣，是重要的省級工業(yè)區(qū)。近年來赤湖工業(yè)園轉(zhuǎn)型升級和臨港產(chǎn)業(yè)的落地發(fā)展對港口運(yùn)輸提出了迫切需求，預(yù)計(jì)將軍澳作業(yè)區(qū)2035年貨物吞吐量將達(dá)到1610萬噸。為適應(yīng)赤湖工業(yè)園臨港產(chǎn)業(yè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，協(xié)調(diào)處理好港口開發(fā)與地方經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展之間的關(guān)系，合理利用港口岸線資源，迫切需要對將軍澳作業(yè)區(qū)進(jìn)行規(guī)劃建設(shè)，特別是基于港區(qū)泊位泊穩(wěn)條件對將軍澳作業(yè)區(qū)碼頭平面布置方案進(jìn)行比選。

沿海港口作業(yè)區(qū)平面布置方案研究一直是業(yè)內(nèi)科研人員關(guān)注的熱點(diǎn)，也有許多學(xué)者對不同港區(qū)泊穩(wěn)分析開展研究，并取得了一系列成果。丁兆寬等人[1]為提高日照港石臼灘港區(qū)擴(kuò)建碼頭工程的港內(nèi)泊穩(wěn)條件，開展了波浪斷面物理模型試驗(yàn)研究不同結(jié)構(gòu)碼頭反射系數(shù)，建立了港區(qū)波浪傳播數(shù)學(xué)模型，研究了不同方案組合下的港內(nèi)泊穩(wěn)條件。董勝等人[2]基于MIKE21-BW模型，考慮波浪的折射、繞射、反射及破碎等物理過程，模擬人工游艇碼頭港域的波浪傳播變形過程，研究港域波浪分布狀況。吳亞楠等人[3][4]考慮波浪的反射、繞射、破碎等物理現(xiàn)象，建立了近岸波浪數(shù)學(xué)模型，對威海船廠港區(qū)單向不規(guī)則波傳播變形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并基于MIKE21-BW模型，開展了秦皇島某港口防波堤工程的不同布局方案泊位穩(wěn)定性分析。

廈門將軍澳作業(yè)區(qū)外海波浪條件較為復(fù)雜和平面布置受制因素也與以往不同，所以建立將軍澳波浪數(shù)學(xué)模型，研究不同布置方案下港區(qū)與外海比波高及泊穩(wěn)條件，提出滿足泊穩(wěn)要求的平面布置方案，可為類似沿海碼頭作業(yè)區(qū)工程布置提供技術(shù)參考。

圖1 工程區(qū)地理位置

2.將軍澳區(qū)域概況

廈門港古雷港區(qū)將軍澳作業(yè)區(qū)地處漳浦縣赤湖工業(yè)園南側(cè)，將軍灣北部海域，地理位置：東經(jīng)117°53′，北緯24°01′，水路北距上海567海里，東距高雄160海里，南至香港289海里，可以暢通地與沿海諸港通航，具體如圖1所示。工程正對臺(tái)灣海峽，風(fēng)浪較大，附近海灣眾多，動(dòng)力條件十分復(fù)雜。為保障碼頭工程建設(shè)后的靠離泊安全及系泊作業(yè)安全，開展波浪數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)。

3.將軍澳區(qū)域波浪數(shù)學(xué)模型

3.1 模型范圍及網(wǎng)格

圖2 數(shù)學(xué)模型計(jì)算范圍及水深分布

圖3 數(shù)學(xué)模型計(jì)算網(wǎng)格

圖4 潮汐、水流測站位置

圖5 潮位驗(yàn)證

圖6 大潮水流驗(yàn)證

圖7 中潮水流驗(yàn)證

圖8 小潮水流驗(yàn)證

圖9 將軍澳作業(yè)區(qū)規(guī)劃方案一

圖10 將軍澳作業(yè)區(qū)規(guī)劃方案二

圖11 將軍澳作業(yè)區(qū)規(guī)劃方案三

圖12 方案一泊位分布

圖13 方案一E向比波高分布

采用模型嵌套的方法，由大范圍模型提供外海開邊界潮位條件，模擬工程附近海域的潮汐動(dòng)力。模型選取范圍的水深分布見圖2，測量基準(zhǔn)為理論基面，最大水深約為45m。通過三角形網(wǎng)格能夠較好地?cái)M合不規(guī)則地岸線邊界，工程前岸邊界、島嶼與將軍澳附近網(wǎng)格分辨率約為70m，網(wǎng)格單元數(shù)為19235個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為9861個(gè)，工程區(qū)周圍的最小網(wǎng)格為7m，數(shù)學(xué)模型計(jì)算網(wǎng)格剖分見圖3。

由于碼頭前沿有防波堤的掩護(hù)，港內(nèi)的波浪受到掩護(hù)，港內(nèi)波高將減小，為計(jì)算不同平面方案下小范圍的波浪分布情況，建立港內(nèi)波浪折射繞射和反射數(shù)學(xué)模型，通過不同平面方案港內(nèi)波浪場計(jì)算，確定不同平面方案下各碼頭泊位處港內(nèi)和外海的波高比值。網(wǎng)格間距為5米。時(shí)間步長為1s。碼頭前的反射系數(shù)為1.0，斜坡式防波堤前的反射系數(shù)為0.5，時(shí)間步長為1s。

3.2 模型驗(yàn)證

基于海洋三所提供的工程區(qū)周圍潮汐、潮流實(shí)測資料，對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證。水流監(jiān)測日期為2009年11月24日至12月8號，包含了大、中、小潮三個(gè)潮型，潮位資料為六鰲和將軍澳的實(shí)測數(shù)據(jù)，潮汐、潮流的測點(diǎn)位置見圖4，共布置了8個(gè)潮流測點(diǎn)和2個(gè)潮位測點(diǎn)。圖5為2個(gè)潮位測點(diǎn)的潮位驗(yàn)證結(jié)果，可以看出兩個(gè)潮位站的潮位模擬值與實(shí)測值吻合較好，誤差小于0.1m，潮波位相與實(shí)測結(jié)果吻合良好。

圖6～圖8分別為大、中、小潮的水流流速流向驗(yàn)證結(jié)果。從模擬及實(shí)測結(jié)果來看，幾個(gè)測點(diǎn)的潮流以往復(fù)流為主，根據(jù)潮流與潮汐的對應(yīng)關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)漲潮流西南向，落潮流東北向。漲落急時(shí)刻發(fā)生于最高及最低潮位附近，接近于前進(jìn)波的性質(zhì)。其中5#的漲落急流速相對較大，其中大潮漲急流速約1.15m/s，大潮落急流速約0.95m/s。大潮、中潮、小潮的漲落急流速依次有所減小。

從驗(yàn)證結(jié)果看各測點(diǎn)的潮流模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合較好，漲急、落急出現(xiàn)的時(shí)刻相當(dāng)。表明大范圍數(shù)學(xué)模型提供的邊界條件，以及模型計(jì)算參數(shù)的取值是合理、正確的。

4.碼頭平面布置方案優(yōu)化

由于強(qiáng)浪向和常浪向是NE～E～SSE，防波堤走向成南北向和東北-西南走向，口門位置朝向西南。首先考慮布置西側(cè)和東側(cè)兩個(gè)防波堤方案，如圖方案一和方案二；第二階段，在方案一的基礎(chǔ)上，又對南側(cè)防波堤進(jìn)行了南北調(diào)整，形成了方案三。針對方案一和方案三，又分別對東向防波堤進(jìn)行了角度的調(diào)整。本文選取三個(gè)有代表性的防波堤布置方案進(jìn)行方案比選。

4.1 初步方案布置

1）方案一。防波堤走向N-SSW，北側(cè)泊位前沿線布置在-6m～-10m等深線之間，南側(cè)泊位前沿線布置在-17m等深線附近，口門寬度約400m，港池水域面積9.8萬m2。港內(nèi)北側(cè)布置3個(gè)2-5萬噸級泊位（1號-3號泊位），東側(cè)和南側(cè)布置5個(gè)5-10萬噸級泊位（4號-8號泊位）。

2）方案二。防波堤走向NW-SESW，北側(cè)泊位前沿線布置在-6m～-8m等深線之間，南側(cè)泊位前沿線布置在-12m等深線附近，港池水域面積5.3萬m2。港內(nèi)北側(cè)布置3個(gè)2-5萬噸級泊位（1號-3號泊位），東側(cè)和南側(cè)布置3個(gè)5-10萬噸級泊位（4號-6號泊位）。

3）方案三。防波堤走向N-SSW；北側(cè)泊位前沿線布置在-4m～-6m等深線之間，南側(cè)泊位前沿線布置在-14m等深線附近；口門寬度約300m，港池水域面積6.0萬m2。港內(nèi)北側(cè)布置2個(gè)2-5萬噸級泊位（1號-2號泊位），東側(cè)和南側(cè)布置4個(gè)5-10萬噸級泊位（4號-6號泊位），西側(cè)布置2個(gè)1-2萬噸級泊位（7號-8號泊位）。

4.2 不同布置方案泊穩(wěn)條件分析

《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定[5]，2萬噸集裝箱碼頭橫浪允許作業(yè)的H4%波高為0.7m，順浪允許作業(yè)的H4%波高為1.0m。對于5萬噸級散貨船碼頭，橫浪允許作業(yè)的H4%波高為0.8m，順浪允許作業(yè)的H4%波高為1.2m。對于2萬噸級碼頭，允許作業(yè)的波周期為6s；對于大于2萬噸級碼頭，允許作業(yè)的波周期為8s。

由圖12可見，方案一中的8個(gè)泊位按順時(shí)針方向依次編號為A1～A8，方案二、三的泊位編號遵循同樣的規(guī)律。圖13表明，當(dāng)波浪從E向傳來時(shí)，港內(nèi)泊位比波高較小，結(jié)合表1所示的方案一各向波浪下各控制點(diǎn)的比波高值，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)波浪從E～ESE向傳來時(shí)，防波堤對港內(nèi)的掩護(hù)良好。

表1 方案一各向波浪下各控制點(diǎn)的比波高值

表2 方案一受波浪影響的不可作業(yè)天數(shù)

表3 方案二受波浪影響的不可作業(yè)天數(shù)

表4 方案三受波浪影響的不可作業(yè)天數(shù)

根據(jù)浮頭灣站的波浪觀測資料及各方向下的各控制點(diǎn)的波高比值來確定各方案的不可作業(yè)天數(shù)。估算不可作業(yè)天數(shù)有兩個(gè)方法，一種為按頻率統(tǒng)計(jì)，另一種判別方法為：若每天有幾次以上不滿足波高、波周期（或風(fēng)速）之一即視為該天不可作業(yè)。表2為方案一各泊位受波浪影響的不可作業(yè)天數(shù)，可見1～3號泊位受波浪影響較小，而4～8號受波浪影響的不可作業(yè)天數(shù)在3天以下。

方案二、三的不可作業(yè)天數(shù)分別如表3、4所示，不難發(fā)現(xiàn)方案一的不可作業(yè)天數(shù)明顯較小，表明考慮港區(qū)泊穩(wěn)條件情況下，方案一平面設(shè)計(jì)優(yōu)于方案二和方案三。

5.主要結(jié)論

（1）當(dāng)波浪從E～ESE向傳來時(shí)，防波堤對港內(nèi)掩護(hù)良好，但波浪的反射、繞射等作用，使得方案二、三平面布置方案防波堤掩護(hù)作用相對較差，故在港區(qū)平面布置中應(yīng)充分考慮波浪反射、繞射等影響；

（2）根據(jù)港內(nèi)波浪掩護(hù)條件，三個(gè)平面設(shè)計(jì)方案由優(yōu)到劣排序依次為：方案一>方案二>方案三；

（3）方案一中防波堤對1～3號泊位掩護(hù)作用良好，而4～8號受波浪影響較大，不可作業(yè)天數(shù)在3天以上。